鐵路隧道工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)(EBS)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用研究

戴林發(fā)寶

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

國(guó)外建設(shè)工程領(lǐng)域分解結(jié)構(gòu)體系主要有兩大類，一類是以生產(chǎn)工藝或工種工程為主要原則進(jìn)行分解和編碼，如MasterFormat體系；另一類則以元素或構(gòu)成部位為主要原則，如UNIFORMAT體系[1-3]。受前蘇聯(lián)影響，我國(guó)建設(shè)工程領(lǐng)域分解結(jié)構(gòu)體系與MasterFormat體系類似，這種模式為靜態(tài)計(jì)算和估算造價(jià)提供便利，但不利于全生命周期管理。我國(guó)鐵路工程具有鐵路線長(zhǎng)、專業(yè)多、建設(shè)規(guī)模大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、建設(shè)速度快等特點(diǎn)，而且工程復(fù)雜程度越來(lái)越高。然而，由于采用類似MasterFormat的體系，鐵路工程各個(gè)階段基本上處于相互獨(dú)立、相互脫節(jié)的狀態(tài)，無(wú)法滿足可持續(xù)發(fā)展的需求，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)鐵路工程全生命周期管理。EBS(Engineering Breakdown Structure)體系是一種體現(xiàn)專業(yè)要素和功能要素的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)體系，能通過(guò)逐級(jí)分解，形成一定精細(xì)程度的工程子系統(tǒng)[4-5]。作為基礎(chǔ)工作[6]，EBS為工程全壽命期各階段、各專業(yè)、各種管理職能提供一個(gè)共同的平臺(tái)[7]，以此整合規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)從而形成一體化管理過(guò)程[8]。而且，EBS是二維費(fèi)用結(jié)構(gòu)矩陣的基礎(chǔ)[9]，是鐵路工程造價(jià)體系的前提，在工程造價(jià)管理中也發(fā)揮著重要作用。

為了適應(yīng)未來(lái)鐵路信息化發(fā)展的需求，中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟參考《鐵路工程工程量清單計(jì)價(jià)指南》，結(jié)合鐵路工程各專業(yè)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，制定了EBS標(biāo)準(zhǔn)[10]。本文以鐵路隧道工程為研究對(duì)象，首先從工點(diǎn)劃分原則、實(shí)體結(jié)構(gòu)分解、編碼等方面介紹了鐵路隧道EBS分解體系；然后研究了隧道EBS與工程量計(jì)算軟件的結(jié)合方法，緊接著闡述了隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)在隧道工程BIM模型中的應(yīng)用，最后指出了隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前存在的問(wèn)題和下一步的工作方向。

1 鐵路隧道EBS分解體系

1.1 工點(diǎn)劃分方法

與傳統(tǒng)隧道設(shè)計(jì)有很大的差別，隧道工點(diǎn)劃分進(jìn)一步細(xì)化，一個(gè)隧道至少包含3個(gè)工點(diǎn)，即進(jìn)口、出口、洞身3個(gè)工點(diǎn)。工點(diǎn)的具體劃分如下[10]：

(1)每座洞門為一個(gè)單獨(dú)工點(diǎn)；

(2)每處連續(xù)段落的明洞應(yīng)為一個(gè)工點(diǎn)；

(3)每處輔助坑道應(yīng)為一個(gè)工點(diǎn)；

(4)正洞的暗洞部分按照工作面劃分工點(diǎn)。

1.2 隧道EBS實(shí)體分解

工程結(jié)構(gòu)分解可以采用線分類法、面分類法、線分與面分結(jié)合法。相比起其他的分類組織方法，線分法具有層次好、易查詢、符合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想等優(yōu)點(diǎn)，因此工程建設(shè)行業(yè)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段的管理基本上按照線分法的分類原則[11-12]。隧道EBS實(shí)體分解也采用線分法。分解方法概述如下。

隧道專業(yè)節(jié)點(diǎn)下區(qū)分隧道和明洞，隧道和明洞均按新建和改建區(qū)分，新建隧道下，進(jìn)一步按照隧道長(zhǎng)度劃分，EBS前5級(jí)的劃分如圖1所示。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)分解(前5級(jí))

第6級(jí)正洞按圍巖等級(jí)區(qū)分，往下進(jìn)一步分解為洞身開(kāi)挖、支護(hù)、襯砌、拱頂壓漿；洞身開(kāi)挖由超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和開(kāi)挖兩部分組成，而超前地質(zhì)預(yù)報(bào)又可按預(yù)報(bào)方法分解為地質(zhì)素描、地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆探、加深炮孔、紅外探測(cè)；襯砌可以分解為混凝土、鋼筋、回填注漿、綜合接地、沉降觀測(cè)與評(píng)估?；炷量梢赃M(jìn)一步分解為拱墻、底板、仰拱填充、踏步等。正洞分解如圖2所示。

圖2 正洞分解(部分)

1.3 隧道EBS編碼

隧道EBS編碼采用層次碼，每一層用兩位數(shù)字表示，上一層級(jí)必須包含下一層級(jí)，同一層級(jí)相互排斥。以隧道管棚為例，第1級(jí)編碼為工點(diǎn)類型碼，代表隧道專業(yè)；第2級(jí)為隧道類型碼，用于區(qū)分隧道工程和明洞工程；第3級(jí)用于區(qū)分新建工程和改建工程；第4級(jí)和第5級(jí)用于區(qū)分概預(yù)算類型；第6級(jí)用于區(qū)分正洞和輔助坑道或其他工程；第7級(jí)用于區(qū)分支護(hù)措施所在的地質(zhì)情況；第8級(jí)用于指定支護(hù)類型；第9級(jí)到具體的構(gòu)件。隧道的EBS層次碼的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 隧道EBS層次碼結(jié)構(gòu)圖示例

2 EBS與工程量計(jì)算軟件結(jié)合研究

既有的隧道工程量統(tǒng)計(jì)軟件已經(jīng)使用多年，已經(jīng)形成了基于各類速度目標(biāo)值的工程量數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)包含正線數(shù)據(jù)和輔助坑道數(shù)據(jù)。正線數(shù)據(jù)包括超前支護(hù)、初支、二襯、明洞、洞室、洞門、注漿、工法、防排水、變形縫、附屬等；輔助坑道數(shù)據(jù)包括超前支護(hù)、初支、二襯、洞門、注漿、防排水、變形縫、附屬等。通過(guò)支護(hù)措施數(shù)據(jù)，軟件可以自動(dòng)計(jì)算獲得相應(yīng)工點(diǎn)的工程量。軟件的數(shù)據(jù)組成如圖4所示。

圖4 隧道工程量計(jì)算軟件的數(shù)據(jù)組成

由此可知，數(shù)量計(jì)算軟件數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)也是按線分法組織，這為EBS與數(shù)量計(jì)算軟件的結(jié)合提供了基礎(chǔ)。每一個(gè)EBS名稱都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的EBS編碼，因此通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表中添加“EBS編碼”字段，可以實(shí)現(xiàn)工點(diǎn)數(shù)量與EBS工程量的轉(zhuǎn)換[13-14]。由于同一個(gè)構(gòu)件，其編碼可能隨著地質(zhì)條件、斷面大小、隧道長(zhǎng)度等的變化而變化，因此需將EBS編碼分解為項(xiàng)目碼和構(gòu)件碼兩個(gè)部分，構(gòu)件碼是個(gè)固定編碼，而項(xiàng)目碼會(huì)根據(jù)項(xiàng)目屬性生成，EBS編碼生成如圖5所示。

圖5 EBS編碼生成

通過(guò)以上方式，軟件生成的工程量將附帶EBS編碼信息，接下來(lái)僅需將工程量轉(zhuǎn)換成EBS工程量清單。為了便于數(shù)據(jù)與軟件的交互，首先將EBS標(biāo)準(zhǔn)表轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)交換公共語(yǔ)言XML，XML表達(dá)EBS標(biāo)準(zhǔn)如圖6所示。再通過(guò)EBS編碼的相互映射，生成最終的EBS工程量清單。

圖6 XML結(jié)構(gòu)化表達(dá)EBS標(biāo)準(zhǔn)

3 EBS與BIM結(jié)合研究

3.1 EBS與BIM關(guān)系

與IFD、IFC一樣，EBS也是BIM重要的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，但是三者相互關(guān)聯(lián)又互有區(qū)別。IFC和EBS描述工程實(shí)體方式不一樣，前者描述工程是什么，側(cè)重于結(jié)果；后者描述工程怎么做，側(cè)重于過(guò)程[3]。IFD和EBS采用兩種分類體系對(duì)工程實(shí)體進(jìn)行分解，IFD采用面分法，EBS采用線分法，一個(gè)工程實(shí)體對(duì)應(yīng)一個(gè)EBS編碼，卻需要多個(gè)IFD編碼組合才能表達(dá)，這也導(dǎo)致了當(dāng)前IFD編碼很難真正應(yīng)用于BIM模型，即便應(yīng)用了組合碼，也會(huì)讓后續(xù)的鐵路工程參與方很難解析。

隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的目的之一就是為隧道BIM模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，因此，EBS標(biāo)準(zhǔn)在BIM模型中的應(yīng)用研究至關(guān)重要，關(guān)系到EBS標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向。本文主要從工點(diǎn)劃分、實(shí)體分解和EBS編碼三個(gè)方面，研究EBS標(biāo)準(zhǔn)在BIM設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[15-16]。

3.2 按EBS劃分隧道BIM模型工點(diǎn)

對(duì)于不帶輔助坑道的隧道，一般來(lái)說(shuō)劃分為進(jìn)口、出口、明洞段工點(diǎn)、各個(gè)作業(yè)面工點(diǎn)；對(duì)于帶輔助坑道的隧道，除了上述工點(diǎn)之外，每個(gè)輔助坑道為一個(gè)單獨(dú)的工點(diǎn)，輔助坑道施工正洞部分，每個(gè)作業(yè)面為一個(gè)單獨(dú)的工點(diǎn)。常規(guī)的隧道BIM模型工點(diǎn)劃分如圖7所示。

圖7 常規(guī)的隧道BIM模型工點(diǎn)劃分

3.3 按EBS分解隧道BIM模型構(gòu)件

EBS標(biāo)準(zhǔn)為隧道工程從業(yè)者提供了工程實(shí)體分解的標(biāo)準(zhǔn)。比如在EBS標(biāo)準(zhǔn)中，襯砌可以分解為混凝土、鋼筋、回填注漿、綜合接地、沉降觀測(cè)和評(píng)估；混凝土可以進(jìn)一步分解為拱墻、底板、仰拱、仰拱填充、踏步。按照EBS標(biāo)準(zhǔn)確定構(gòu)件層級(jí)結(jié)構(gòu)并建立襯砌混凝土模型，二襯BIM模型EBS分解如圖8所示。

3.4 隧道BIM模型構(gòu)件應(yīng)用EBS編碼

按EBS分解體系建立BIM模型之后，通過(guò)隧道BIM設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)，以屬性附加的方式將EBS編碼添加到模型中。BIM模型的一大優(yōu)勢(shì)就是所有的參數(shù)都可以隨時(shí)提取，工程量可以自動(dòng)計(jì)算[17-18]。本文通過(guò)腳本的方式，實(shí)現(xiàn)EXCEL數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，自動(dòng)生成EBS工程量清單。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

(1)在深入解析隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了基于EBS標(biāo)準(zhǔn)的隧道工程量計(jì)算軟件的實(shí)現(xiàn)方法。

(2)提出了工點(diǎn)劃分原則、實(shí)體分解結(jié)構(gòu)、EBS編碼系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn)在BIM模型中的應(yīng)用方法，并通過(guò)編寫腳本實(shí)現(xiàn)了BIM模型自動(dòng)生成EBS工程量清單。

(3)當(dāng)前的隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)還存在一些問(wèn)題，結(jié)合杭黃天目山隧道試點(diǎn)項(xiàng)目，總結(jié)如下。

①EBS標(biāo)準(zhǔn)參考的規(guī)范已經(jīng)廢止或更新。國(guó)家鐵路局已發(fā)布《鐵路工程工程量清單規(guī)范》，并將于2020年6月1日起實(shí)施，《施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》也于2019年全面更新。

②覆蓋范圍不夠全面。當(dāng)前的隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)僅包括鉆爆法山嶺隧道，未包含TBM法、盾構(gòu)法等其他工法隧道，覆蓋范圍還需進(jìn)一步擴(kuò)充完善。

③精細(xì)度不足。當(dāng)前的鐵路隧道EBS基本上可以分解到分項(xiàng)工程這個(gè)層級(jí)，可用于宏觀的工程量和費(fèi)用管控，但在與BIM結(jié)合的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大量的隧道BIM零部件細(xì)節(jié)模型找不到相應(yīng)的EBS編碼。建議進(jìn)一步擴(kuò)展完善以滿足BIM設(shè)計(jì)需求。

4.2 展望

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的鐵路工程設(shè)計(jì)、施工、管理均采用按專業(yè)線分法的模式，短期內(nèi)很難改變，因此從這點(diǎn)上來(lái)看，EBS標(biāo)準(zhǔn)有其天然的優(yōu)勢(shì)，再加上EBS標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)價(jià)關(guān)系密切，因此，相比其他數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，EBS標(biāo)準(zhǔn)更有實(shí)用價(jià)值。

鐵路隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為隧道建筑信息模型的建立提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。然而，當(dāng)前隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有廣泛運(yùn)用于隧道工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維，相關(guān)的研究也較少。因此，對(duì)于隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)前存在的問(wèn)題，下一步應(yīng)開(kāi)展的工作包括以下3方面。

(1)參考最新的《鐵路工程工程量清單計(jì)價(jià)指南》和《鐵路工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范修正現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)；補(bǔ)充各種工法隧道工程實(shí)體；擴(kuò)展隧道工程零部件和編碼定義，完善隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)。

(2)在EBS分解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定WBS、項(xiàng)目分解結(jié)構(gòu)、工程量清單分解結(jié)構(gòu)、工程投資分解結(jié)構(gòu)等。

(3)加大力度推廣應(yīng)用隧道EBS標(biāo)準(zhǔn)，充分發(fā)揮其在隧道領(lǐng)域的作用，在使用過(guò)程中不斷反饋、修正標(biāo)準(zhǔn)。

隨著BIM技術(shù)的不斷成熟，EBS與BIM的結(jié)合將更加緊密。以BIM模型為載體，EBS為組織和編碼標(biāo)準(zhǔn)，互聯(lián)網(wǎng)為紐帶，在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各參建方中共享BIM模型，搭建全壽命周期管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鐵路隧道工程的全壽命周期管理。